长轴人字齿轮机械加工工艺研究
2018-10-10 来源：中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司 作者：陆堰龙 滕青龙 巢 丹 姜连杰
摘 要:人字齿轮退刀槽尺寸很宽的齿轮加工工艺比较复杂，一般的齿轮加工设备无法满足要求，通过工艺分析，找出了可行的人字齿机械加工工艺。
关键词:人字齿;机械;工艺
在一些大型、重载设备的传动机构中，常用到人字齿轮。主动齿轮有时是 1 根整体的齿轴形式，从动齿轮一般是由 2 个螺旋角相等、旋向相反的斜齿轮相对合并而成。这种传动机构不仅斜齿轮承载能力大，而且消除了斜齿轮在传动过程中产生的轴向力。主动齿轮的加工除常规的几何要素加工外，轮齿加工也比较关键。
人字齿轮齿轴结构如图 1 所示，整轴长度为 A;人字齿轮 2 个左右旋斜齿轮齿宽分别为 C1和 C2(一般情况下 C1和 C2相等);2 个螺旋角相等、旋向相反的齿轮结构之间的距离(空刀槽宽度)大小为 B;齿轮轴两轴承挡之间的距离为G，轴承挡宽度分别为 E1和 E2;P1和 P2为对应的两斜齿轮的一齿槽中心延长线，其交点为 F;过 F 点作与齿轴中心线的垂线，相交于 O 点。
M 为 O 点位置的技术公差要求。该齿轴轮齿加工的难点(除齿轮的正常要素外) 就是如何保证O 点的位置符合图纸技术要求:O 点偏离理论点的距离应在公差 M 值的范围内(图纸上的技术要求有时会以其他的技术要求条款出现，通过转换计算得出 M 值)。
在宽度为 G的范围内常用的结构形式是一直径为 D 的光轴，通常直径为 D 的公差比较宽松，甚至为自由公差。
1 、主要加工工序
大型、重载设备的传动机构中使用的人字齿轮，齿轮的精度要求一般较高，常达到 ISO 6 级左右，齿轮的齿面为硬齿面，齿轮轴的材料常用渗碳钢材料。整个齿轮轴长径之比很大，有时超过 10∶ 1。尺寸 A有时达到 2 000 mm 左右。
人字齿轮空刀槽宽度 B 的尺寸大小，决定轮齿的加工工艺设计方向:空刀槽尺寸 B 适中、偏小(甚至为零)的情况，已有许多的加工工艺和专用的齿形加工设备;空刀槽尺寸 B 较大(有时可达 1 000mm，甚至 2 个螺旋角相等、旋向相反的齿轮布置在轴的两端头)，由于能用的加工专用设备较少，齿轮轮齿的加工工艺设计比较困难。齿轮轴常选用的主要加工工序为:齿轴坯料制造(常用锻造工艺) →粗加工→预备热处理→半精加工→齿槽划线→开齿(常选用滚齿工艺) →渗碳淬火→基准)精加工→轮齿精加工(常选用磨齿工艺)→其他精加工，另外还有一些检查、检测、工艺计算调整等。
由于长径之比大，所以对于能够去除内应力、细化内部晶粒组织、减少渗碳淬火后变形的“预备热处理”工序应引起足够的重视［1］;渗碳淬火后应检查变形情况，变形过大时可以考虑加入校直等工序。
2 、工艺基准设计
工艺设计首先考虑工艺基准与产品的设计基准的统一。但由于加工设备的加工范围、装夹条件、基准识别难易程度等条件的限制，在工艺设计时应考虑进行基准转换设计，以便适应现有的加工设备，同时便于加工现场的基准找正、识别工作。
对于长径之比较大、空刀槽尺寸 B 也比较大的齿轴的齿形加工工艺设计，可以考虑进行基准转换设计。同轴基准可以考虑用在 2 个轮齿附近的轴承挡作为同轴基准( 也可以在满足图纸要求的前提下，在两轮齿附近设计 2 个工艺基准)，而这 2 个基准的同轴度问题可以通过整轴一次装夹磨削解决。端面基准可以通过工艺基准转换设计，选择 2个齿轮的端面 K1面和 K2面。
在不影响整体要求的前提下，可以将宽度为 G范围内的、直径为 D 的光轴部分设计成辅助基准，工艺设计时应考虑提高这部分的圆柱度、轴外圆的直线度要求。在半精加工尺寸工艺设计和加工时应保持 2 个同轴基准尺寸的相同性、同轴性。
3 、工艺加工余量设计
工艺加工余量是工艺设计时需要考虑的项点之一，对于没有合适的专用齿形加工机床、尺寸 B 较大的人字齿轮加工余量的设计，还需要根据实际加工现场的设备精度情况、图纸各尺寸公差要求，在总长 A、尺寸 B、尺寸 G、齿宽 C1和 C2、轴承挡宽度 E1和 E2等尺寸下考虑合适的工艺加工余量，以便加工后期计算调整、确保 O 点位置符合 M 值所规定的公差要求。
4 、人字齿滚齿
对于空刀槽尺寸 B 较大，而滚齿加工设备的加工范围、装夹条件无法满足时，可以先由钳工划线，再分别滚削 2 个左右旋斜齿轮。根据工艺设计计算，确定 2 个左右旋斜齿轮的齿宽中心点 O1和 O2位置，再根据齿轮的螺旋角划出两齿槽中心线 P1线和 P2线。
滚齿时，应根据 P1线和 P2线，分别滚削 2 个左右旋斜齿轮，要点是对刀时要仔细、细心，通过机床刀杆串刀微调机构(一般通用的滚齿机机床都具有这种调整机构)，保证 P1线和 P2线在滚齿试切对刀时对刀痕的中间。设计滚齿时的齿厚应考虑刀具齿形误差、由机床引起的齿向误差、后期渗碳淬火引起的热处理变形等因素，特别是渗碳淬火变形控制水平。
由于尺寸 A 和尺寸 G 较大，如果没有专用的滚齿设备，一般分 2 次装夹，分别滚削 2 个左右旋斜齿轮，除用到专用工装外，装夹时应找正相应的同轴基准(轴承挡)、端面基准(K1面、K2面)，必要时还应复核一下辅助基准(直径为 D 的外圆部分的轴长度方向跳动情况)。
5 、检测、调整、加工
在齿轮轮齿的最终热处理(渗碳淬火)完成后，后续“(基准)精加工”和“轮齿精加工”等加工可以分下面几个工步进行:
(1)先进行“(基准) 精加工”和“轮齿精加工”的初步加工，尽量将加工余量留到后期的加工工序中，特别是“轮齿精加工”，只要不影响齿轮检查仪精度和尺寸检查，齿面见光即可。
(2)通过齿轮检查设备对齿轮进行检查评价，除正常的精度检查外，重点评价人字齿轮的一齿槽中心线相交点 F 所对应的 O 点的实际位置，参照 M值公差规定，适当调整 2 个斜齿轮左右齿面后期加工(磨削)量，同时验证其他各档尺寸(主要是轴长度方向的尺寸)。确保齿轮轮齿精加工后满足图纸技术要求。
(3) 按上述检测结果分别进行各档基准精加工、齿轮轮齿精加工。
(4)通过齿轮检查设备最终评价实际 O 点的位置。如果需要，参照 M 值公差规定，利用 A 尺寸、B尺寸、G 尺寸、C1和 C2尺寸、E1和 E2尺寸等工艺留量以及公差带，进行适当工艺计算调整、加工，确保产品各尺寸符合图纸规定及要求。
(5)完成其他的加工、检查。
6 、结束语
在没有人字齿轮加工软件的情况下(或受设备加工范围、装夹范围限制等)，人字齿轮的加工工艺设计一直比较困难，本文通过工艺分析，找出了 1 种能在一般机床上加工出满足图纸要求的高精度人字齿轮的加工工艺。对于长径之比很大、B 尺寸较大的人字齿轮齿轴，利用本文的工艺方法，可以加工出满足要求的产品，近年来已经加工出多批次这类高精度的齿轮轴。
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